Cựu kỹ sư ASML giúp Trung Quốc chinh phục được công nghệ laser EUV, mở đường cho việc phá thế độc quyền thiết bị quang khắc cao cấp của ASML trong tương lai

Các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã đạt được bước tiến quan trọng trong việc phát triển công nghệ sản xuất chip bán dẫn tiên tiến trong nước, thông qua việc xây dựng thành công nền tảng nguồn ánh sáng cực tím (EUV) với các thông số cạnh tranh quốc tế, theo một báo cáo khoa học gần đây.

Nhóm nghiên cứu đến từ Viện Quang học và Cơ học Tinh vi Thượng Hải thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, được dẫn dắt bởi Lin Nan – người từng giữ chức trưởng bộ phận công nghệ nguồn sáng tại tập đoàn ASML của Hà Lan. Thành tựu này được xem là đột phá then chốt giúp Trung Quốc vượt qua rào cản công nghệ trong lĩnh vực bán dẫn.

ASML hiện là nhà sản xuất duy nhất trên thế giới về máy EUV – thiết bị không thể thiếu cho việc sản xuất chip có kích thước dưới 7nm. Tuy nhiên, kể từ năm 2019, công ty này đã bị cấm bán các mẫu máy tiên tiến nhất cho Trung Quốc do áp lực từ Hoa Kỳ. Trong cuộc gọi với các nhà đầu tư vào ngày 16 tháng 4, Giám đốc điều hành ASML Christophe Fouquet từng tuyên bố rằng mặc dù “luôn có thể tạo ra được ánh sáng EUV, nhưng Trung Quốc sẽ cần nhiều năm để chế tạo được máy EUV hoàn chỉnh”.

Lin Nan trở về Trung Quốc vào năm 2021 trong khuôn khổ chương trình tuyển dụng nhân tài cao cấp hải ngoại của quốc gia này và đã thành lập nhóm nghiên cứu công nghệ quang khắc tiên tiến chịu trách nhiệm cho nghiên cứu này. Trước khi gia nhập ASML, Lin được đào tạo bởi Anne L’Huillier – người đoạt giải Nobel Vật lý năm 2023 và là thành viên của Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển, trong khuôn khổ học bổng của chương trình Marie Sklodowska-Curie Actions của Liên minh Châu Âu.

Bài báo khoa học, xuất hiện trong số tháng 3 của Tạp chí Laser Trung Quốc, cho biết nhóm đã phát triển nguồn ánh sáng EUV tạo ra từ plasma bằng laser (LPP), thành phần chính của máy quang khắc, đánh dấu bước đột phá tiềm năng cho ngành công nghiệp bán dẫn Trung Quốc. “Nền tảng thực nghiệm này sẽ hỗ trợ việc nội địa hóa nguồn sáng EUV từ plasma được tạo ra bằng laser thể rắn và các hệ thống đo lường, đóng vai trò quan trọng trong nỗ lực phát triển công nghệ quang khắc EUV và các thành phần chính của nó tại Trung Quốc,” nhóm nghiên cứu khẳng định.

Theo bài báo, Lin và nhóm của ông đã xây dựng nền tảng dựa trên laser thể rắn, khác với thiết bị quang khắc công nghiệp của ASML sử dụng ánh sáng từ công nghệ CO2 để chuyển mẫu mạch lên silicon và các chất nền khác. Laser CO2 cung cấp công suất hơn 10 kilowatt và tần số lặp lại cao, so với hiệu suất thấp hơn của nền tảng dựa trên thể rắn.

“Mặc dù laser CO2 thương mại cung cấp công suất cao, nhưng chúng lớn, không hiệu quả về mặt hiệu suất điện năng (dưới 5%) và tốn kém về chi phí vận hành và điện năng,” Lin và đồng nghiệp viết. “Laser xung thể rắn, đã có những tiến bộ nhanh chóng trong thập kỷ qua, hiện đạt công suất đầu ra cấp kilowatt và dự kiến sẽ đạt mức cao hơn 10 lần trong tương lai. Chúng có kích thước nhỏ gọn, với hiệu suất điện năng khoảng 20%, và có thể là sự thay thế đầy hứa hẹn cho laser CO2 như nguồn điều khiển thế hệ tiếp theo cho quang khắc LPP-EUV.”

Nền tảng thực nghiệm đã đạt được kết quả ngang bằng với nghiên cứu quốc tế tương tự về EUV LLP thể rắn, đồng thời đạt được hơn một nửa tỷ lệ hiệu suất chuyển đổi của nguồn sáng được điều khiển bằng laser CO2 có sẵn trên thị trường. Sử dụng laser thể rắn 1 micron, nhóm đạt được hiệu suất chuyển đổi tối đa 3,42% – vượt qua mức 3,2% được ghi nhận vào năm 2019 bởi Trung tâm Nghiên cứu Tiên tiến về Quang khắc Nano của Hà Lan, và mức 1,8% của ETH Zurich vào năm 2021.

Kết quả so sánh dữ liệu cho thấy nền tảng của Trung Quốc vẫn thua kém so với Đại học Trung Florida với 4,9%, đạt được vào năm 2007, và Đại học Utsunomiya của Nhật Bản, năm ngoái ghi nhận hiệu suất chuyển đổi 4,7%. Theo bài báo, hiệu suất chuyển đổi của nguồn sáng quang khắc EUV được điều khiển bằng laser CO2 có sẵn trên thị trường là khoảng 5,5%.

Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng laser thể rắn 1 micron cấp kW, có khả năng cung cấp tỷ lệ hiệu suất chuyển đổi đủ cao, đã được phát triển tốt và có sẵn trên thị trường. “Ngay cả với hiệu suất chuyển đổi 3%, nguồn sáng LPP-EUV được điều khiển bằng laser thể rắn có thể cung cấp công suất ở mức watt, khiến nó phù hợp cho kiểm tra mask và xác thực phơi sáng EUV,” họ viết.

Các nhà nghiên cứu ước tính rằng hiệu suất chuyển đổi tối đa theo lý thuyết của nền tảng có thể đạt gần 6%. Họ dự định bổ sung thêm các phép đo để tối ưu hóa cả kết quả lý thuyết và thực nghiệm, theo bài báo cho biết.

Thành tựu này đánh dấu một bước tiến quan trọng trong nỗ lực của Trung Quốc nhằm phát triển công nghệ bán dẫn tiên tiến trong nước, giữa bối cảnh các hạn chế công nghệ đang diễn ra. Với sự dẫn dắt của các chuyên gia hàng đầu như Lin Nan, Trung Quốc đang dần thu hẹp khoảng cách với các cường quốc công nghệ phương Tây trong lĩnh vực sản xuất chip, đặt nền móng cho khả năng tự chủ về công nghệ bán dẫn trong tương lai gần.